资源描述：
《h型垂直轴风力发电机的结构设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、专题研讨上海电力2007年第5期H型垂直轴风力发电机的结构设计牛海峰,张冬(上海麟风风力发电设备有限公司,上海200063)摘要:垂直轴风力发电机与水平轴风力发电机相比,具有起动风速低、风能利用率高等诸多优点和广阔的市场应用前景。文章介绍了H型垂直轴风力发电机的主要结构特点及其设计方法,对小型垂直轴风力发电机进行结构优化设计并应用于工业产品的设计作了阐述。关键词:垂直轴;风力发电机;结构设计中图分类号:TM614;TK83文献标识码:B垂直轴风力发电机因起动风速低、风能利用横向风荷载,发电机转子受弯扭组合荷载,同时处率高、无噪声、无需对风向、安全性高等诸多优点,于交变应力状态,对其
2、结构设计极为不利。采用与水平轴风力发电机相比,更具有广阔的市场应如图2所示的承力结构型式可以极大地改善结构用前景,垂直轴风力发电机的研究也取得了长足的受力情况,使得承力结构设计更加合理。的进步。支持翼用来连接通过对H型垂直轴风力发电机的主要结构主轴和叶片,以形成具特点及其设计方法的介绍,并经过计算机仿真对有一定刚性的H型框其结构的设计方案优化,最终在工业设计中得到架结构,这样有利于叶推广与应用。片的结构设计及整体结构的安全性。1H型垂直轴风力发电机的结构特点图2主轴与发电机连接叶片是风力发电H型垂直轴风力发电机主要由风轮装置、发结构型式机的关键部件,叶片外电机、刹车装置、控制器和塔
3、架等部件组成,如图形设计尤为重要,直接关系到能否获得所希望的1所示。功率。支持翼与叶片的连接采用如图3所示的叶(1)风轮装置。片箍方式,以确保两者连接的可靠性。风轮装置是把风能转换为机械能的重要部件。风轮装置的设计好坏,将直接决定整个风力发图3叶片箍电机系统的成功与(2)发电机。发电机的结构型式为立式心轴否。风轮装置主要通孔三相交流永磁同步发电机。发电机为结合由主轴组件、支持H型垂直轴风力发电机特点而专门设计的低转翼、叶片等零部件速发电机。组成。(3)刹车装置。刹车装置是风力发电机必须主轴组件为整配备的安全控制机构。停机控制使风力发电机在个风力发电机组重需要进行维修、发生不正常运转
4、或预计发生破坏图1H型垂直轴风力发电机要的承力构件,传性强风时,使风力发电机停止运转。刹车装置由递横向风荷载。主轴与塔架可靠连接,主轴外的刹车箍、刹车蹄、刹车带、转轴、摇臂、弹簧、刹车绳套筒起传递扭矩的作用。若不采用该结构,直接等零件组成。将套筒与发电机转子相连,则当风轮承受很大的(4)控制器。控制器通过发电机的输出为负—516—2007年第5期上海电力专题研讨载或者蓄能装置提供稳定的电能输出。等效应力云图、叶片纵向、周向应力云图(原图为彩(5)塔架。塔架是用来支撑风力发电机的构色照片,因内心为黑白印刷,故作黑白示意图参考,编者件,该部分的设计对整个结构的安全运行起着重加注)分别如
5、图4～图7所示。要的作用。2H型垂直轴风力发电机的结构设计2.1总体设计要求对H型垂直轴风力发电机整机进行复杂的气动性能分析,以确定和优化整机的系统效率,使风力发电系统达到较高的效率。结构设计在气动分析后进行,结构设计必须对系统的收受的外载图4结构变形图图5支持翼VonMises等效应力云图荷进行分析。作用在风力发电机上的载荷有静载荷和动载荷。在不同工况下系统所受的载荷情况不同,H型垂直轴风力发电机考虑的荷载主要包括:转速变化、风压变化、阵风效应、突然停机、停机遇最大阵风。通过计算,确定最危险的疲劳载荷和静载荷作为结构设计的依据。在风力发电机的结构强度设计中要充分考虑到所用材料的疲
6、劳特性。为了避免共振,一般应使结构自振频率避开转速频率的整数倍。图6叶片纵向应力云图图7叶片周向应力云图风力发电机在停机工况下,作用最大风荷载工况二作用下结构变形图、支持翼VonMises通常比较容易计算。风力发电机在运行工况下,等效应力云图、叶片纵向、周向应力云图(原图为彩作用的荷载比较复杂,有惯性荷载、气动荷载、重色照片,因内心为黑白印刷,故作黑白示意图参考,编者力荷载等等,这些荷载都随时间而变化,特别是气加注)分别如图8～图11所示。动载荷和风向变化的影响是随机的,因此要准确计算较为困难。本文主要介绍小型H型垂直轴风力发电机的结构。2.2300WH型垂直轴风力发电机设计以30
7、0WH型垂直轴风力发电机为例,风轮直径为1.38m,叶片高度为1.1m,叶片个数为5个,工作风速为4～25m/s,额定风速为10m/s,图8结构的变形图图9支持翼VonMises等效应力云图最高转速为250r/min,安全风速为55m/s。结构型式如图1所示。支持翼材料采用瓦楞状薄钢板,材料为普通碳素钢,叶片材料采用蜂窝状玻璃钢,主轴用45号钢。用ANSYS通用有限元软件进行结构主要受力构件的计算分析。2.3结构计算结构计算采用如下两种工况组合:工况一(运行工况):结
